CN106026103A - 一种风电场接入的概率潮流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风电场接入的概率潮流计算方法，将概率密度引入潮流计算当中，保留传统潮流算法的迭代形式和雅克比矩阵的特点，且可根据风电厂发电概率计算得到的潮流来控制风机的运行方式。与现有的潮流算法相比，采用本方法无需修改雅克比矩阵的维数，且通过引入概率，只需要修改注入功率，易于与原有的潮流算法相结合，尤其适合当涉及到当大量风电场接入且采用不同控制策略时的潮流计算。

Description

一种风电场接入的概率潮流计算方法

技术领域

本发明属于新能源并网技术领域，具体涉及一种风电场接入的概率潮流计算方法，能够用于大规模风电场并网场景。

背景技术

近年来，由于化石能源的大量使用，环境问题越来越收到重视，国家节能减排力度不断加大。风能作为无污染的可持续发展能源，受到国家的重视，在政策的鼓励下，风电发展迅速。根据国家改革委和国家电网公司规划，集中接入的大规模新能源发电在我国电力系统中所占的比例将大幅提高，其接入后对电网运行的影响等问题也亟需深入研究和探索。

但是大规模风电并网时，由于风能的随机性和易变性，难以准确预测风电的输出功率，正是由于风电的这种特性，当大规模风电场接入电网时，给电网的安全性和稳定性带来了新的挑战。目前的潮流计算方法仅仅考虑了单一潮流的因素，并未考虑不确定性潮流的计算，当系统中含有大量风电场时，导致雅克比矩阵维数大大增加，导致潮流计算复杂。

采用概率潮流计算可以保留传统潮流算法的迭代形式和雅克比矩阵的特点，且当大量风电场接入电网时，只需要修改相应的注入功率，易于与原有的潮流算法相结合，尤其适合当涉及到当大量风电场接入时的潮流计算。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术中在应用于大规模风电并网时，潮流计算复杂的问题，提出一种风电场接入的概率潮流计算方法，便于实现含大量风电场接入的潮流计算。

技术方案：为了实现上述目的，本发明中的风电场接入的概率潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)输入待评估电网的各节点和支路参数以及电网的切入风速v_in、切出风速v_out和额定风速v_r；

(2)确定风电厂风速的概率模型，利用风速与风电场的工作模式之间的关系继而得到风电场输出功率的概率分布函数；

(3)根据风电场输出功率的概率分布函数，随机产生风电场输出功率；

(4)利用待评估电网的各节点和支路参数根据雅克比矩阵各个因子的构成条件形成雅克比矩阵，进行牛顿法计算潮流情况，当不满足潮流收敛条件时返回步骤(3)重新产生风电场输出功率，重新迭代计算直至潮流收敛。

有益效果：本发明的考虑大量风电场接入的概率潮流计算方法，该方法将风电场的输出功率用概率密度函数表述，并考虑到风电场的不同控制目标，实现含大量风电场接入时的潮流计算。与现有常用的迭代潮流算法相比，采用本方法能保留传统潮流算法的迭代形式和雅克比矩阵的特点，不增加雅克比矩阵的维数，易于与原有的潮流算法相结合。

附图说明

图1为本发明中风电场接入的概率潮流计算方法的流程图；

图2为功率与风速输出的关系图；

图3为一种小型配电网的等值电路图。

具体实施方式：

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步详细描述。

图1中，本发明的风电场接入的概率潮流计算方法，包括以下步骤：

(1)系统初始化，确定风电场的工作模式，输入待评估电网的各节点和支路参数；风电场的工作模式一般包括：正常工作模式、紧急停机模式和切机模式，风电场接入与天气情况密切相关，如果风速大于切出风速v_out，将进入切机模式；如果风速过大，远大于切出风速v_out，将进入紧急停机模式；如果风速正常，比切出风速v_out小，比切入风速v_in大，则进入正常工作模式，开始潮流计算，否则将无法进行潮流计算。

(2)确定风电厂风速的概率模型，得到风电场的概率密度函数继而得到风电场输出功率的概率分布函数。具体包括以下内容：

1)通过大量数据模拟，可以得出如图2所示的风速和风电功率输出之间的关系：当风速小于切入风速v_in时，由于风速过小，不能带动风电机组转动，此时风电机组没有功率输出；当风速大于切入风速v_in小于额定风速v_r时，此时风能较小，应尽可能的利用风能，所以输出功率随着风速的增大而增大，如果忽略机组的电气损耗和风电场的尾流效应，风电输出与风速可用线性关系表示；当风速大于额定风速v_r且未达到切出风速v_out时，由于机组的容量的限制，输出功率为风电机组的最大输出功率，即额定功率P_N；当风速大于切出风速v_out时，此时由于风速过大，容易损坏风机的叶片，造成不必要的经济损失。此时为了保护机组，需要停机运行，此时风电场也没有功率输出。

2)根据风速与风电场输出功率的关系确定风电场的概率密度函数。

在对风速进行预测时，可以用很多概率模型来模拟风速的分布。对大量的实测数据进行统计，表明在较短时间内，风速分布更接近正态分布，其概率密度函数为：

$g\left(v\right)=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp \[-\frac{{(v-u)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]$

得到风速的概率分布函数为：

$G\left(v\right)={\∫}_0^v\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}\exp \[-\frac{{(v-u)}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}\]dv=\mathrm{\Φ}\left(\frac{v-u}{\mathrm{\σ}}\right)$

其中，v表示风电场的风速，μ、σ是正态分布的两个参数，μ是表示风电场风速的期望，其单位为m/s，σ是是风电场风速的标准差，表示风速的分散性。

用数学函数表示风速与风电场输出功率P的关系为：

$P\left(v\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& 0\&le;v\&le;v_{in},v\&GreaterEqual;v_{out}\\ P_N\frac{v-v_{in}}{v_r-v_{in}}& v_{in}<v<v_r\\ P_N& v_r\&le;v<v_{out}\end{array}\right.$

上式中，v_in为切入风速，v_r为额定风速，v_out为切出风速，P_N为额定功率。

由此，根据风速的概率密度函数可以得到风电场输出功率的概率密度函数为：

$f\left(P\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& P<0,P>P_N\\ \mathrm{\&Phi;}\left(\frac{v_{in}-v}{\mathrm{\&sigma;}}\right)+1-\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{v_{out}-v}{\mathrm{\&sigma;}}\right)& P=0\\ \left(\frac{v_r-v_{in}}{{\mathrm{\&sigma;P}}_N}\right)\&times;\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\&pi;}}\mathrm{\&sigma;}}\exp \{-{\&lsqb;\frac{(v_r-v_{in})P}{P_N}+v_{in}-v\&rsqb;}^2/\left(2{\mathrm{\&sigma;}}^2\right)\}& 0<P<P_N\\ \mathrm{\&Phi;}\left(\frac{v_{out}-v}{\mathrm{\&sigma;}}\right)-\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{v_r-v}{\mathrm{\&sigma;}}\right)& P=P_N\end{array}\right.$

其中，v为实时风速，v_in为切入风速，v_r为额定风速，v_out为切出风速，P_N为额定功率，σ是是风电场风速的标准差。

最终得到风电输出功率的分布函数为：

$F\left(P\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& P<0\\ \mathrm{\&Phi;}\{\&lsqb;\frac{P(v_r-v_{in})}{P_N}+v_{in}-v\&rsqb;/\mathrm{\&sigma;}\}+1-\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{v_{out}-v}{\mathrm{\&sigma;}}\right)& 0\&le;P\&le;P_N\\ 1& P>P_N\end{array}\right.$

(3)根据步骤(2)中的概率分布函数，随机产生风电场输出功率；

(4)利用待评估电网的各节点和支路参数根据雅克比矩阵各个因子的构成条件形成雅克比矩阵，进行牛顿法计算潮流情况，当不满足潮流收敛条件时返回步骤(3)重新产生风电场输出功率，重新迭代计算直至潮流收敛。本发明中潮流收敛系数ε取10^-5。

由于篇幅限制，本实施例仅对某一次风机接入电网的情景进行模拟，系统等值阻抗化为标幺值为0.03+j0.08，共10个节点，节点1一端接电源，一端通过阻抗和节点2相连；节点2通过变压器分别与节点9、节点3以及节点10、节点4相连；节点3通过线路与节点5相连，节点4通过线路与节点8相连；节点5通过线路与节点8相连，节点8通过线路与节点7相连，节点7通过先例与节点6相连。通过计算得到等值电路的参数如图3所示。通过本方法计算得到的某次潮流结果如下表所示：

表1各节点电压

表2线路功率

表3变压器支路功率

表4整个系统功率

根据潮流计算结果得出：各节点电压均小于本身的基准值，电流流过支路时由于支路存在阻抗，产生损耗，从而会使实际输出小于所发出的功率。而经过变压器传递功率时也会因为变压器支路存在阻抗而损耗小部分功率。通过潮流计算结果还得出有功功率总是从功角大的地方流向功角小的地方，而无功功率总是从电压幅值大的地方流向幅值小的地方。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种风电场接入的概率潮流计算方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)输入待评估电网的各节点和支路参数以及电网的切入风速v_in、切出风速v_out和额定风速v_r；

(2)确定风电厂风速的概率模型，利用风速与风电场的工作模式之间的关系继而得到风电场输出功率的概率分布函数；

(3)根据风电场输出功率的概率分布函数，随机产生风电场输出功率；

(4)利用待评估电网的各节点和支路参数根据雅克比矩阵各个因子的构成条件形成雅克比矩阵，进行牛顿法计算潮流情况，当不满足潮流收敛条件时返回步骤(3)重新产生风电场输出功率，重新迭代计算直至潮流收敛。

2.根据权利要求1所述的风电场接入的概率潮流计算方法，其特征在于，所述风电厂风速服从正态分布。

3.根据权利要求2所述的风电场接入的概率潮流计算方法，其特征在于，所述风电场输出功率的概率分布函数为：

$F\left(P\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& P<0\\ \mathrm{\&Phi;}\{\&lsqb;\frac{P\left(v_r-v_{in}\right)}{P_N}+v_{in}-v\&rsqb;/\mathrm{\&sigma;}\}+1-\mathrm{\&Phi;}\left(\frac{v_{out}-v}{\mathrm{\&sigma;}}\right)& 0\&le;P\&le;P_N\\ 1& P>P_N\end{array}\right.$

其中，v为实时风速，v_in为切入风速，v_r为额定风速，v_out为切出风速，P_N为额定功率，σ是是风电场风速的标准差。

4.根据权利要求1所述的风电场接入的概率潮流计算方法，其特征在于，潮流收敛系数取10^-5。